I ricercatori nel nord-ovest del Pacifico hanno sviluppato un nuovo materiale catalizzatore che potrebbe sostituire le sostanze chimiche attualmente derivate dal petrolio e costituire la base per prodotti più rispettosi dell'ambiente, tra cui il gas che aumenta l'ottano e gli additivi per carburanti, gomma a base biologica per pneumatici e un solvente più sicuro per l'industria chimica.

Per produrre biocarburanti sostenibili, i produttori vogliono far fermentare l'etanolo da materiale vegetale non alimentare come stocchi di mais ed erbacce. Attualmente, i valori principali del cosiddetto bioetanolo sono come sostituto non inquinante degli additivi per carburante che aumentano il numero di ottano per prevenire il battito in testa del motore e come sostituto rinnovabile per una certa percentuale di benzina. Per trasformare il bioetanolo in altri prodotti utili, i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy e della Washington State University hanno sviluppato un nuovo materiale catalizzatore che lo convertirà in una sostanza chimica chiamata isobutene. E può farlo in un'unica fase di produzione, che può ridurre i costi.

Segnalato dai ricercatori dell'Istituto per la catalisi integrata del PNNL e della Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering della WSU, i risultati sono apparsi il 21 luglio nel Giornale della Società Chimica Americana .

"L'isobutene è una sostanza chimica versatile che potrebbe espandere le applicazioni del bioetanolo prodotto in modo sostenibile, " ha detto l'ingegnere chimico Yong Wang, che ha un appuntamento congiunto al PNNL di Richland, Washington e alla WSU di Pullman, Lavare., e guida gli sforzi di ricerca in entrambe le istituzioni.

Inoltre, questo catalizzatore richiede la presenza di acqua, consentendo ai produttori di utilizzare bioetanolo diluito e più economico invece di doverlo prima purificare, potenzialmente contenere i costi e velocizzare i tempi di produzione.

Niente Z-Z-Z per gli stanchi

Una chiave importante per sbloccare le energie rinnovabili per sostituire i prodotti dei combustibili fossili è il catalizzatore. Un catalizzatore è una sostanza che promuove reazioni chimiche di interesse. Il convertitore catalitico in un'auto, Per esempio, accelera le reazioni chimiche che abbattono i gas inquinanti, pulire lo scarico di un veicolo.

I ricercatori del PNNL e della WSU stavano cercando di produrre idrogeno dall'etanolo. Per migliorare un catalizzatore convenzionale, avevano preso ossido di zinco e ossido di zirconio e combinati entrambi in un nuovo materiale chiamato ossido misto:gli atomi di zinco e di zirconio intrecciati attraverso un cristallo di atomi di ossigeno. Testare l'ossido misto fuori, Il ricercatore post-dottorato del PNNL Junming Sun ha visto non solo l'idrogeno, ma - inaspettatamente - un bel po' di isobutene (EYE-SO-BEW-TEEN).

L'idrogeno è ottimo, ma l'isobutene è meglio. I chimici possono ricavarne gomma per pneumatici o un solvente più sicuro che può sostituire quelli tossici per la pulizia o per usi industriali. L'isobutene può anche essere facilmente trasformato in carburante per jet e additivi per benzina che aumentano il numero di ottani - quel valore elencato sulle pompe di benzina che impedisce a un motore di bussare - come l'ETBE.

Il Sole splende

Nessuno aveva mai visto un catalizzatore creare isobutene dall'etanolo in una reazione chimica in un solo passaggio prima, così i ricercatori si sono resi conto che un tale catalizzatore potrebbe essere importante per ridurre il costo dei biocarburanti e delle sostanze chimiche rinnovabili.

Indagando il catalizzatore in modo più approfondito, i ricercatori hanno esaminato cosa è successo quando hanno usato diverse quantità di zinco e zirconio. Hanno dimostrato che un catalizzatore costituito da solo ossido di zinco converte l'etanolo principalmente in acetone, un ingrediente nel solvente per unghie. Se il catalizzatore conteneva solo ossido di zirconio, ha convertito l'etanolo principalmente in etilene, una sostanza chimica prodotta dalle piante che fa maturare i frutti.

Ma l'isobutene? Ciò è sorto solo in quantità utili quando il catalizzatore conteneva sia zinco che zirconio. E "quantità utili" significa "molto". Con un rapporto di 1:10 tra zinco e zirconio, il catalizzatore di ossido misto potrebbe trasformare più dell'83 percento dell'etanolo in isobutene.

"Abbiamo ottenuto costantemente una resa dell'83% con una maggiore durata del catalizzatore, ", ha detto Wang. "Siamo stati felici di vedere questo rendimento molto alto".

Intuizione reazionaria

I ricercatori hanno analizzato la chimica per capire cosa stava succedendo. Negli esperimenti sui singoli ossidi metallici, l'ossido di zinco ha creato l'acetone mentre l'ossido di zirconio ha creato l'etilene. Il modo più semplice per raggiungere l'isobutene da lì, teoricamente parlando, consiste nel convertire l'acetone in isobutene, di cui è normalmente capace l'ossido di zirconio. E la strada dall'etanolo all'isobutene potrebbe essere produttiva solo come ha scoperto Sun se l'ossido di zirconio non venisse deviato trasformando l'etanolo in etilene lungo la strada.

Qualcosa sull'ossido misto, poi, impedito all'ossido di zirconio di trasformare l'etanolo nell'etilene indesiderato. Il team ha ipotizzato che l'isobutene derivi probabilmente dall'ossido di zinco che trasforma l'etanolo in acetone, poi l'ossido di zirconio - influenzato dal vicino ossido di zinco - trasforma l'acetone in isobutene. Allo stesso tempo, l'influenza dell'ossido di zinco ha impedito la conversione dell'etanolo in etilene da parte dell'ossido di zirconio. Sebbene si tratti di due fasi di reazione per il catalizzatore, è solo uno per i chimici, dal momento che hanno dovuto mettere il catalizzatore solo una volta con etanolo e acqua.

Per avere un'idea di quanto le reazioni dovessero verificarsi l'una con l'altra affinché l'isobutene si manifestasse, il team ha combinato ossido di zinco in polvere e ossido di zirconio in polvere. Questo differiva dall'ossido misto in quanto gli atomi di zinco e zirconio non erano incorporati nelle stesse particelle di catalizzatore. Queste polveri miste trasformavano l'etanolo principalmente in acetone ed etilene, con alcune quantità di altre molecole e meno del 3% di isobutene, indicando che la magia del catalizzatore proveniva dalla microstruttura del materiale di ossido misto.

Atto di bilanciamento

Così, i ricercatori hanno esplorato la microstruttura utilizzando strumenti e competenze presso EMSL, Laboratorio di scienze molecolari ambientali del DOE nel campus del PNNL. Utilizzando strumenti ad alta potenza chiamati microscopi elettronici a trasmissione, il team ha visto che il catalizzatore di ossido misto era costituito da particelle cristalline di dimensioni nanometriche.

Uno sguardo più attento ai catalizzatori con le prestazioni migliori ha rivelato che l'ossido di zinco è distribuito uniformemente sulle regioni di ossido di zirconio. Il catalizzatore dalle prestazioni peggiori, con un rapporto zinco/zirconio 1:1, ha rivelato regioni di ossido di zinco e regioni di ossido di zirconio. Ciò ha suggerito al team che i due metalli dovevano essere vicini l'uno all'altro per trasformare rapidamente l'acetone in isobutene.

I risultati sperimentali di altri metodi analitici hanno indicato che il team potrebbe ottimizzare il tipo di reazioni chimiche che portano all'isobutene e anche impedire che il catalizzatore si disattivi contemporaneamente. L'elegante equilibrio di siti acidi e basici sugli ossidi misti ha ridotto significativamente il carbonio dall'accumulo e dal gunking dei catalizzatori, che ne riduce la durata.

Il lavoro futuro esaminerà le ottimizzazioni per migliorare ulteriormente la resa e la durata del catalizzatore. Wang e colleghi vorrebbero anche vedere se possono combinare questo catalizzatore isobutene con altri catalizzatori per produrre sostanze chimiche diverse in reazioni one-pot.